有序介孔材料的合成及其在锂离子电池上的应用

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自上世纪90年代由美国Mobil公司首先报道了M41S系列有序介孔材料以来,具有特殊新型纳米结构的有序介孔材料迅速成为材料与化学学科的研究热点。经过二十多年的研究,介孔材料的合成与应用研究范围也在不断的扩大,从原来的催化、吸附分离等传统领域拓展到生物、光电、传感器和锂离子电池等高新技术领域,使人们对介孔材料有了进一步的认识。本文就是在这种背景下,对介孔材料的部分合成方法及应用进行了探索和研究。  第一章中我们对介孔材料领域的研究背景进行了初步介绍,首先着重介绍了有序介孔材料的合成,包括有序介孔金属氧化物的合成、纳米限域空间内双金属氧化物的合成和介孔碳的大规模合成。其次介绍了纳米多孔材料在锂离子电池电极材料开发上的应用。并在此基础上,我们提出了本论文的选题。  第二章中我们详细介绍了如何以硝酸钴作为金属前驱物,介孔二氧化硅KIT-6作为硬模板,在惰性气氛,无需任何还原剂条件下,用纳米浇铸方法直接合成有序CoO介孔材料。得到的产物拥有高度有序的介观结构和晶态骨架。这种方法的最主要的优点就是不需要添加任何还原剂,与之前的合成法相比,在管式炉里一次煅烧完成,简单易操作。  第三章中我们通过探究了纳米限域空间内金属硝酸盐的分解规律及双金属氧化物的合成规律。研究了多种双金属硝酸盐前驱物分解过程中形成复合双金属化合物与分相的单金属化合物混合物的规律,并探究了其背后机理。  第四章中我们利用嵌段共聚物为软模板剂,酚醛树脂为碳源,开发了一种可以较大规模合成有序介孔碳的新方法,目前已经可以实现公斤级生产。该材料的孔径、比表面及孔容等指标数值与实验室小规模制备的材料相似。由于工艺流程简单,操作容易,具有大规模工业合成的前景。同时发现具有大孔容和高比表面积的材料主要取决于颗粒尺寸的控制。所得材料因具有可控的粒径,较大的堆积密度,在分离、吸附、储氢、催化、超级电容器和锂离子电池等领域有较大的应用前景。  第五章中我们开发出一种更为简洁,安全和低成本合成介孔锗/碳纳米复合材料的新方法。以有序介孔碳材料为基底,以TEOG(四乙氧基锗)为锗源,先合成介孔二氧化锗/碳纳米复合材料作为中间产物;然后以氢气为还原剂,在500℃条件下反应还原二氧化锗获得锗/碳纳米复合材料。所得材料同时应用于锂离子电池负极材料,20个循环后容量保持在736 mAh/g,显示出良好的倍率性能和循环稳定性。
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